刚- 柔性桩复合地基在深厚淤泥水闸地基处理中的应用

於文欢，糜凯华

（中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510000）

1 问题的提出

在实际工程中，绝大部分水闸建设在平原、滨海区的第四纪覆盖层上[1]，闸址地质常为疏松的砂土、软弱的黏性土以及淤泥、泥炭质土等软土地基，其主要的工程特性是含水量高、孔隙比大、渗透性低、压缩性高、抗剪强度低并有较显著的触变性和蠕变性[2]，若不进行有效的地基处理，闸室整体及抗滑稳定安全性差，施工期、运行期沉降以及不均匀沉降均较大，无法保障水闸安全。

针对软土闸基，目前常用的处理方式主要有更换填垫层、强力夯实、预压固结、注浆加固、桩基础工程、复合地基。对于深厚淤泥层的大面积水闸地基，采用换填法、强力夯实、预压固结等常规方法，在地基处理深度、施工工期等方面均难以满足要求；采用单一的复合地基处理方法，如灰土挤密桩、振冲砂石桩、水泥土搅拌桩以及CFG桩等[3]，对地基承载力的提升幅度、加固深度以及桩间距等均有所限制；而完全采用灌注桩、钢管桩等桩基础工程造价又较大。因此，对于深厚淤泥层水闸地基，可采用刚-柔性桩复合地基进行处理，将不同类型的桩联合起来，充分发挥各桩型的优势，提高地基承载力，减小建筑物沉降。

本文结合某水闸深厚淤泥地基，对其实际采用的水泥土搅拌桩与混凝土灌注桩组合成的刚-柔性桩复合地基的处理方案进行分析，以供设计人员参考。

2 刚-柔性桩复合地基的工作机理

复合地基是指部分土体被增强或被置换，形成由地基土和竖向增强体共同承担荷载的人工地基。目前采用的竖向增强体主要包括灰土挤密桩、振冲砂石桩、水泥土搅拌桩、CFG 桩、石灰桩、旋喷桩、夯扩桩及桩基础等。为克服单一桩型复合地基的缺点和局限性，基于复合地基理论，逐渐发展出刚-柔性桩复合地基，即采用刚度较小的竖向增强体的柔性桩和刚度较大的竖向增强体的刚性桩组成的复合地基。刚性桩较长，柔性桩较短，也是一种长短桩复合地基，2 类桩型间隔交叉布置，并在桩顶设置褥垫层[3-5]，复合地基布置见图1。

图1 刚-柔性桩复合地基布置示意图

刚性长桩打到低压缩性的地基持力层，将荷载通过桩身部分传递至深层土，减少压缩层变形，同时对柔性短桩起到护桩作用，并与短桩共同抑制地基周围土体的隆起。刚性长桩一般选用钢管桩、预制混凝土桩、混凝土灌注桩等。

柔性短桩可进行浅层加固处理，有效改善地基的承载性能，具有较好的经济性。柔性短桩选用灰土挤密桩、振冲砂石桩、水泥土搅拌桩、CFG 桩、夯实水泥土桩等。

褥垫层可以有效地调整复合地基的桩土荷载分配比例，较充分利用桩间土的承载潜能。同时对于柔性面层地基，褥垫层可防止桩体向上刺人，增加桩土应力比，提高地基的承载性能，减小沉降。

3 刚-柔性桩复合地基承载力及沉降计算[6]

3.1 刚性桩、柔性桩单桩承载力计算

刚性桩的单桩承载力：

式中：Ra1为刚性桩的单桩竖向承载力特征值，kN；μp为桩横截面周长，m；Ap1为刚性桩桩端横截面面积，m2；li为第i层土的厚度，m；qsik为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值，kPa；qpk为极限桩端阻力标准值，kPa。

柔性桩的单桩承载力（水泥土搅拌桩、旋喷桩）：

Ra2取式（2）和式（3）中的较小值。

式中：Ra2为柔性桩的单桩竖向承载力特征值，kN；μp为桩横截面周长，m；Ap3为柔性桩桩身横截面面积，m2；li为第i层土的厚度，m；qsi为第i层土的桩侧摩阻力特征值，kPa；qp为桩端土的承载力特征值，kPa；α为桩端土承载力折减系数；η为桩身强度折减系数；fcu为桩身混凝土强度，kPa。

3.2 刚-柔性桩复合地基承载力特征值计算

式中：fspk为刚-柔性桩复合地基承载力特征值，kPa；Ap2为刚性桩桩身横截面面积，m2；fsk为处理后桩间土的承载力特征值，kPa；m1、m2分别为刚性桩、柔性桩面积置换率；η1、η2、η3分别为刚性桩、柔性桩、桩间土承载力发挥系数。

3.3 刚-柔性桩复合地基沉降量计算

刚-柔性桩复合地基沉降量包含刚性桩、柔性桩与土构成的复合土层压缩量，柔性桩桩端以下、刚性桩与土构成的复合土层压缩量以及刚性桩桩端以下天然土层压缩量3 部分的总和。该3部分的压缩沉降量均采用分层总和法进行计算，且刚性桩、柔性桩与土构成的复合土层及柔性桩桩端以下、刚性桩与土构成的复合土层被增强及置换，其压缩模量均应考虑修正提高，各层可按下式修正：

式中：Espli为刚性桩、柔性桩与土构成的复合土第i层的压缩模量，Mpa；Esp2i为柔性桩桩端以下、刚性桩与土构成的复合土第i层的压缩模量，Mpa；Ep1为刚性桩桩体的压缩模量，Mpa；Ep2为柔性桩桩体的压缩模量，Mpa；Esi为基础底面下第i层的压缩模量，Mpa。

4 工程实例

4.1 工程概况

某水闸位于东南沿海珠江三角洲地区，工程所在区域地貌多为淤积、冲积平原，河涌水道众多，漫滩、阶地发育。水闸闸室单孔净宽8.0 m，两侧闸墩厚度均为1.5 m，采用U 型整体式结构。闸室底板总长34.0 m，中间17.0 m 处沿底板和闸墩有沉降缝，底板厚1.8 m，底板顶高程-2.00 m，墩顶高程4.70 m。闸室布置2 扇闸门，自内而外分别为工作闸门、外江检修闸门。工作闸门采用平板钢闸门，孔口尺寸为8.0 m×5.7 m；检修闸门预留检修门槽。水闸底部内涌侧自内而外依次布置抛石护底段、预制混凝土块护坦段、钢筋混凝土铺盖段，水闸外江侧自内而外依次布置钢筋混凝土消力池段、预制混凝土块护坦段、抛石防冲槽段。水闸顶部布置工作门启闭台车排架、二期预留车道、一期车道行走活动钢桥、活动钢桥启闭机房楼梯。水闸外江设计挡潮水位2.58 m，内涌最低控制水位-0.50 m。

闸址工程区地层由上至下依次为第四系海陆交互沉积层（Q4mc）、第三系冲积层（Q3al）、下第三系泥质粉砂岩（E）。水闸基础位于②1 淤泥层，厚度6.00～19.50 m，层顶高程-9.88～+0.50 m，层底高程-20.68～-7.88 m，允许承载力为45 kPa；②2 层为淤泥质粉质黏土，厚度4.80～21.80 m，分布不均匀，允许承载力为55 kPa；③层为中密状圆砾，所有钻孔均有揭露，厚度11.00～17.80 m，允许承载力为250 kPa；④1 层为强风化泥质粉砂岩，岩面稳定，允许承载力为500 kPa ；④2 层弱风化泥质粉砂岩的埋深较深，允许承载力为1 800 kPa。水闸纵剖面及地层分布见图2，各地层物理参数见表1。

表1 水闸地基的物理力学指标表

图2 水闸纵剖面及地层分布图

4.2 地基处理方案

对于此类深厚淤泥层地基，由于淤泥压缩性较大，地基土承载能力及抗剪强度低，闸室整体及抗滑稳定安全性差，易产生不均匀沉降，天然地基无法满足承载力及沉降要求，因此需进行地基处理。若不进行地基处理，计算各工况组合下的基底平均最大应力为140 kPa，而基底的淤泥承载力特征值仅为45 kPa，无法满足要求。同时闸底板中心最终沉降量达到317.9 mm，远大于标准规定的允许最大沉降量建议值150.0 mm。

本工程淤泥层平均厚度达29 m，换填、强夯、预压固结等常规方法的处理厚度难以满足，而采用管桩等预制桩则会出现接桩困难、施工时较容易打偏、废桩率较高等问题。因此采用水泥土搅拌桩作为柔性短桩，混凝土灌注桩作为刚性长桩，对二者组合而成的刚-柔性桩复合地基进行处理。为减小由于渗流冲刷底板接触面而导致的底板与桩间土流失脱空，对水泥土搅拌柔性桩进行格栅型封闭布置，各格栅内施打钻孔灌注刚性桩。同时为保证刚性桩和桩间土通过变形协调共同承担荷载，钻孔灌注桩采用摩擦型桩。

闸室底板埋深为3 m，底部采用水泥土搅拌桩，桩径Φ600 mm，桩间排距400 mm，格栅布置，桩长12 m。桩身水泥强度等级选用42.5 普通硅酸盐水泥，水泥掺入比不低于18%，采用湿法施工。钻孔灌注桩设置在各水泥土搅拌桩格栅内，为摩擦型桩，桩径Φ800 mm，桩长30 m，以圆砾土层为持力层，桩身采用C30 混凝土，并埋设钢筋笼。桩顶设置50 cm 厚的中粗砂垫层，同时为满足渗流要求，在水闸上下游均设置双排Φ600 mm 水泥搅拌桩防渗墙，墙厚不小于90 cm。基础布置见图3。

图3 基础布置平面图

根据基础处理方案，计算钻孔灌注刚性桩的单桩竖向承载力特征值Ra1=874.4 kN。水泥土搅拌柔性桩桩端土承载力折减系数、桩身强度折减系数，依据标准规范分别取0.50、0.33。由地基土和桩身材料产生的承载力中，取较小值作为柔性桩的单桩竖向承载力特征值，计算得水泥土搅拌柔性桩的单桩承载力Ra2=74.6 kN。

根据桩位布置，刚性桩、柔性桩面积置换率分别为0.06、0.42；刚性桩、柔性桩、桩间土承载力发挥系数，根据工程经验分别取值为0.90、0.85、0.70。因此，刚-柔性桩复合地基承载力特征值fspk=202 kPa，大于基底平均附加应力140 kPa，地基承载力满足要求。

钻孔灌注刚性桩桩体的压缩模量取80 Mpa，水泥土搅拌柔性桩桩体的压缩模量取15 Mpa，沉降计算深度由底板底部至圆砾层底部，刚-柔性桩复合地基闸底板中心最大沉降量71.4 mm，满足要求。

该工程的基础处理施工已完成，根据现场钻孔灌注刚性长桩的单桩高应变试验，单桩竖向承载力特征值为1 050 kN，与计算值较为接近。对水泥土搅拌桩复合地基进行浅层平板荷载试验，试验结果表明，只采用水泥土搅拌桩柔性短桩处理后的复合地基承载力特征值仅为100 kPa，不能满足承载力要求，需要与钻孔灌注刚性长桩共同作用才能满足承载力及地基沉降要求。

5 结 语

刚-柔性桩复合地基充分利用和发挥刚性长桩控制沉降与柔性短桩加固浅层地基的能力，在桩顶设置褥垫层协调桩与桩间土变形，共同承担荷载，不仅克服了采用单一柔性桩布桩过密、加固深度不足等缺点，而且避免由于采用单一刚性桩，桩身长度过长而导致的工程造价高、工期长等问题。采用刚-柔性桩复合地基处理深厚淤泥水闸地基，能有效控制变形，提高地基承载力，经济实用，在实际工程中的应用效果较好。